近邻星系中星团的系统研究

 

 

 

在现代天体物理学中,没有解决的最大问题之一是星系的起源和演化问题。星系是什么时候形成的?如何形成的?它们又是怎样随时间演化的?它们周围的环境又是如何影响它们性质的?球状星团作为星系形成和演化过程中最早和最主要的成份,对它们的研究会有助于解决这些问题:因为(1)球状星团的诞生与其寄主星系的形成有着紧密的联系;(2)球状星团内的星族成份单一,是简单星族,有利于理论研究;(3)它们结构紧密,包含的恒星数目多、光度大,在较远的星系中也能观测到,使我们研究单一星族成份的视野扩大。

 

国家天文台BATC巡天组从2000年开始,以座落在国家天文台兴隆观测站的60/90厘米Schmidt望远镜得到的多色巡天(BATC)测光资料为主,结合5色宽带、Hubble2MASS的观测资料,利用简单星族合成模型,对3个近邻星系(M31M33M81)中的星团进行了系统地研究,并取得了重要的成果。我们首次把星团的谱能量分布(至少包括BATC13个中带波段)和最新的星族模型结合起来求星团的年龄并做了大量的统计结果。其中,对于球状星团,由于年龄和金属丰度的耦合效应,很难利用谱能量和星族合成模型同时把年龄和金属丰度求出。所以我们利用光谱得到的金属丰度来打破这种耦合。同时把简单星族模型中有限的金属丰度模型进行线性内插,就可以精确地求出球状星团的年龄,进而进行球状星团金属丰度和年龄的统计。我们2006年发表在MNRASFan et al. 20063711648)关于M31中球状星团的工作,就是基于这种想法求出了91个球状星团的年龄,首次把银河系中球状星团年龄和金属丰度的统计关系在河外星系中再现。结果表明:M31中球状星团年龄和金属丰度的关系与银河系中是一致的,即年龄越老的球状星团金属丰度越贫;但M31中存在着三个年龄段的球状星团,即年龄峰值是三、四十亿年的年轻球状星团和年龄峰值是七、八十亿年的中等年龄的球状星团,以及老于一百五十亿的球状星团,显然第二个结论与银河系中的情况完全不同,因为银河系中的球状星团均老于一百亿年,这个结果对球状星团的形成理论是一个挑战。为了验证我们的这种求球状星团年龄方法的正确性,利用BATC的多色测光数据结合Galaxy Evolution Explorer、宽带和2MASS的资料求得M31中一个著名球状星团S312的年龄。S312是唯一的一个可以用等龄线拟合的方法求其年龄的河外星团。因为主序拐点对年龄敏感,所以等龄线拟合的方法可以准确地求出球状星团的年龄。河内球状星团的年龄基本是利用这种方法得到的。但对于河外球状星团,很难利用这种方法求其年龄。其原因是由于地面望远镜的分辨率加上大气抖动等的原因,恒星计数及测光具有很大的难度,特别是较暗的主序星。幸运的是Hubble望远镜的上天,使河外星团的恒星计数及单颗恒星的测光成为可能,但深到主序拐点下几个星等仍很困难。利用2004Hubble望远镜的深场观测,Brown et al. 2004ApJ613L125)第一次把S312的恒星计数和及单颗恒星的测光深到了主序拐点下1.5个星等,使等龄线拟合求河外球状星团的年龄成为现实。因此,可以利用S312来检验我们自己发展的用星团的谱能量分布结合最新的星族合成模型求星团年龄的方法。结果表明,我们得到的年龄和等龄线拟合得到的完全一致。这篇工作被ApJ接受发表。

 

对于M33中的星团,我们最早利用BATC多色测光结合星族合成模型求星团的年龄,同时也是世界上唯一的地面大视场、多色测光系统。BATC多色测光的视场可以包含整个M33中的星团,因此我们比较系统地研究了M33中星团的性质。最近Sarajedini et al.2007AJ133290)利用Hubble的深场观测研究M33中的星团,其中星团的测光结果及年龄只有我们的工作给其佐证(整篇文章引用我们的工作5次之多)。从比较的结果看出,我们的测光结果及求的星团的年龄与Sarajedini et al.2007AJ133290)的结果完全吻合。

 

2001年以来,发表在国际核心刊物(ApJMNRASAJA&ApPASPAcA)的论文有11, 另一篇被ApJ接受待发表。他人引用超过31次。我们还首次发现M33中球状星团的形成是连续的,与银河系中球状星团的形成完全不同,即“球状星团都是由老年星族组成”的传统观念,这说明星系所处的局部环境对星系中星族成份的形成和演化起着重要的作用。这个结论得到了Nature reviews200220032004度国际天文学进展等文献的重要引用。部分引用的原文:“Age dating of such clusters can provide constrains on the frequency and duration of galaxy interactions Ma et al. 2002.”“But the age distribution of globular clusters remains an open question, as several recent studies have found a wider spread of globular cluster ages in some galaxies, including the presence of some intermediate-age metal-rich clusters Jiang et al. 2003.”(引文出自Nature, 2004, 427, 31);“Our favorite, M33, has apparently been forming globulars at a roughly constant rate for most of the past 10 GyrMa et al. 2002, which is about as different as you can get from the traditional view that they are not making them any more, though that always had the qualification at least in our galaxy.”(引文出自 Astrophysics in 2003, PASP, 2004, 116, 187)。